深基坑支护结构79449

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第二章深基坑的支护结构 补偿性基础，即以天然地面到建筑物基础埋置深度之间的土体重量，来补偿一部分建筑物的荷重，故高层基础埋深均较大。但基础埋深加大给施工带来很多困难，尤其是在城市建筑物密集地区，施工现场附近有建筑物、道路和地下管线纵横交错，很多情况下不允许采用较经济的放坡开挖，而需要在人工支护条件下进行基坑开挖，本章即要研究这个问题。 采用深基坑随着基础埋深加大给施工带来很多困难，尤其在城市建筑物密集地区，施工场地的狭小，邻近建筑物、道路和管线纵横交错，多数情况下不能放坡开挖，需要采用支护结构，这就是本章所要研究的问题。 应力圆与土的抗剪强度CφBO1σ1σ3Ocτfσ 支护结构的设计和施工，影响因素众多，不少高层建筑的支护结构费用已超过工程桩基的费用。为此，对待支护结构的设计和施工均应采取极慎重的态度，在保证施工安全的前提下，尽量做到经济合理和便于施工。 第一节支护结构的选型支护结构包括挡墙和支撑（或拉锚）两部分。档墙或支撑中任何一部分的选型不当或产生破坏（包括变形过大），都会导致整个支护结构的失败。 支护结构的型式放坡开挖悬臂式支护结构内撑式支护结构拉锚式支护结构土钉墙支护结构环梁护壁支护结构其它形式支护结构 一.挡墙的选型（一）钢板桩1.槽钢钢板桩2.热轧锁口钢板桩（二）钢筋混凝土板桩（三）钻孔灌注桩挡墙（四）H型钢支柱（或钢筋混凝土桩支柱）（五）地下连续墙（六）深层搅拌水泥土桩挡墙（七）旋喷桩帷幕墙 1.槽钢钢板桩由槽钢并排或正反扣搭接组成。槽钢长6～8m，多用于深度不超过4m的基坑。顶部宜设一道支撑或拉锚。（一）钢板桩 2热轧锁口钢板桩其形式有U型、Z型、一字型、H型和组合型。U型Z型一字型 该板桩截面带企口，有一定的挡水作用，顶部设圈梁，用后不再拔除，永留地基土中。适于3—6m基坑，但应用较少。（二）钢筋混凝土板桩 常用Φ600—1000mm，是支护结构中应用最多的一种。宜形成排桩挡墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁。但施工难以做到相切，挡水效果差。（三）钻孔灌注桩挡墙 该类支护结构适用于土质较好、地下水位较低的地区。型钢或支柱按一定间距打入，支柱间设木挡板或其它挡土设施。（四）H型钢支柱（钢筋混凝土桩支柱）、木挡板支护墙 （五）地下连续墙地下连续墙已是目前深基坑的主要支护结构之一。在地下结构层数多的深基坑的施工非常有利。地下连续墙常是采用“逆筑法”的支护结构的首选。天津市的华联商厦、紫金花园、鸿吉大厦、津汇广场等很多工程均采用地下连续墙方法施工。 深层搅拌水泥土桩挡墙是用特制的进入土深层的深层搅拌机将喷出的水泥浆固化剂与地基土进行原位强制搅拌制成水泥土桩，相互搭接，硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙，既可挡土又可形成隔水帷幕。（六）深层搅拌水泥土桩挡墙 （旋喷桩帷幕墙是钻孔后，将钻杆从地基土深处逐渐上提，同时利用插入钻杆端部的旋转喷嘴，将水泥浆固化剂喷入地基土中，形成水泥土桩，桩体相连形成帷幕墙。旋喷桩帷幕墙可用作支护结构挡墙，也可用于挡水。（七）旋喷桩帷幕墙 当基坑深度较大，悬臂挡墙的强度和变形不能满足要求时，需增设支撑系统。支撑系统有基坑内支撑基坑外拉锚（顶部拉锚土层锚杆拉锚）常用的有钢结构支撑钢筋混凝土支撑二.支撑（拉锚）的选型 1钢管支撑对撑（一）钢结构支撑 1钢管支撑角撑（一）钢结构支撑 钢管支撑示意图 (一)钢结构支撑2型钢支撑型钢支撑主要采用H型钢，用螺栓连接，为工具式钢支撑，现场组装方便，可重复使用。 有角撑、对撑、桁架式支撑，还有圆形、拱形和椭圆形等形状的支撑。圆形支撑（二）钢筋混凝土支撑 第二节支护结构计算一.支护结构的破坏形式和计算内容支护结构可分为两类：重力式支护结构非重力式支护结构重力式包括深层搅拌水泥土桩挡墙旋喷桩帷幕墙非重力式包括钢板桩、钢筋混凝土预制桩、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙等。 包括强度破坏稳定性破坏。Ⅰ强度破坏（非重力式）1拉锚破坏或支撑压曲地面荷载增加过多、（一）非重力式支护结构挡墙的破坏土压力过大使拉杆断裂，或锚固失败、腰梁破坏、内支撑受压失稳。 Ⅰ强度破坏（非重力式）2支护墙体底部走动支护墙入土深度不够或挖土过深以及水的冲刷均可产生这种破坏。需正确的计算入土深度（一）非重力式支护结构挡墙的破坏 3支护墙的平面变形过大或弯曲破坏支护墙截面过小、土压力估不准、墙后增大量地面荷载或挖土超深，需准确计算最大弯矩值以验算截面。（一）非重力式支护结构挡墙的破坏Ⅰ强度破坏（非重力式） Ⅱ非重力式支护结构的稳定性破坏1墙后土体整体滑动失稳拉锚的长度不够、软粘腿发生圆弧滑动，引起支护结构整体失稳。（一）非重力式支护结构挡墙的破坏 Ⅱ非重力式支护结构的稳定性破坏2挡墙倾覆3坑底隆起如挖土深度大，由于卸土过多，在墙后土重及地面荷载作用下引起坑底隆起。（一）非重力式支护结构挡墙的破坏 Ⅱ非重力式支护结构的稳定性破坏4管涌在砂土区，当地下水较高坑较深时，在动水压力作用下，地下水绕过支护墙连砂土一同涌入基坑。（一）非重力式支护结构挡墙的破坏 （二）重力式支护结构的破坏重力式支护结构的破坏包括强度破坏稳定性破坏其强度破坏只是水泥土抗剪强度不足，产生剪切破坏，为此需验算最大剪应力处的墙身应力。 （二）重力式支护结构的破坏重力式支护结构的稳定性破坏包括：1.倾覆2.滑移3.土体整体滑动失稳4.坑底隆起5.管涌 二非重力式支护结构计算（一）支护结构承受的荷载支护结构承受的荷载一般包括土压力水压力墙后地面荷载引起的附加荷载。 二非重力式支护结构计算1土压力⑴主动土压力：若挡墙在墙后土压力作用下向前位移时随位移增大，墙后土压力渐减小。当位移达某一数值时，土体内出现滑裂面，墙后土达极限平衡状态，此时土压力称为主动土压力，以Ea表示。Ea-Δ滑裂面 二非重力式支护结构计算⑵静止土压力：若挡墙在土压力作用下墙本身不发生变形和任何位移（移动或滑动），墙后填土处于弹性平衡状态，则此时作用在挡墙上的土压力成为静止土压力。以E0表示。E0 二非重力式支护结构计算(3)被动土压力：若挡墙在外力作用下墙向墙背向移动，随位移增大，墙所受土的反作用力渐增大，当位移达一定数值时，土体内出现滑裂面，墙后土处被动极限平衡状态，此时土压力称为被动土压力，以Ep表示。+Δ外力Ep滑裂面 土压力表示主动土压力强度（无粘性土）粘性土 对于粘性土按计算公式计算时，主动土压力在土层顶部（H=0处）为负值，即表明出现拉力区，这在实际上是不可能发生的。可计算临界高度以下的主动土压力：土压力分布 ZcH可计算此种情况下的临界高度Zc，进而计算临界高度以下的主动土压力。土压力分布 土压力表示被动土压力强度无粘性土粘性土 土压力表示悬臂式挡土结构，对于土的性质、荷载大小等非常敏感，它完全依靠足够的入土深度来保持其稳定性，故其高度一般不大于4ｍ。为了施工的安全，支撑和锚杆宜根据最大土压力计算，即根据实测压力曲线的包络线来确定。该包络线近似梯形或矩形，与库伦理论计算的三角形土压力不同。 土压力分布⑴悬臂无支撑挡墙，其压力分布为主动土压力，是三角形分布，被动土压力也是三角形分布。被动土压力主动土压力 土压力分布⑵多支撑或多拉锚的挡墙背面上的土压力分布图形砂土为梯形，粘土土压力分布图是稍复杂的三角形。 土压力分布悬臂挡土墙所承受的主动土压力完全由其底部的被动土压力来平衡；而锚定板单支点的挡土结构，其主动土压力则由锚定板拉杆和底部的被动土压力共同承受，加以平衡。TEa1Ea2EP 土压力分布不同深度处土的内聚力C不是一个常数，它与土的上覆荷重有关，一般随深度的加大而增大，对于暴露时间长的基坑，土的内聚力可由于土体含水量的变化和氧化等因素的影响而减小甚至消失。φ、C值是计算侧向土压力的主要参数，但在工程桩打设前后的φ、C值是不同的。在粘性土中打设工程桩时，产生挤土现象，孔隙水压力急剧升高，对φ、C值产生影响。另外，降低地下水位也会使φ、C值产生变化。 2.水压力作用于支护结构上的水压力一般按静水压力考虑。有稳态渗流时按三角形分布计算。ABCDEF 2.水压力ABCEHF在有残余水压力时，水压力按梯形分布。 水压力和土压力水压力和土压力的分算或合算问题，目前均采用。一般情况下，由于粘性土中水主要是结晶水和结合水，宜合算;在砂性土中土颗粒之间的空隙中充满的是自由水，受重力作用，为静水压力作用，宜分算。 水压力和土压力合算时，地下水位以下土的重力密度采用饱和重力密度γsat；分算时，地下水位以下土的重力密度采用浮重力密度;另外单独计算静水压力，按三角形分布考虑。 3.墙后地面荷载引起附加荷载有三种情况：⑴墙后有均布荷载ｑ⑵距离支护结构一定距离有均布荷载ｑ⑶距离支护结构一定距离有集中荷载Ｐ（如塔吊、混凝土泵车等）由Ｐ引起的附加荷载分布在支护结构的一定范围ｈ2上。 ⑴墙后有均布荷载ｑ如墙后堆有土方、材料等地面均布荷载对支护结构引起的附加荷载，可按下式计算：qH ⑵距离支护结构一定距离有均布荷载ｑ此时压应力传到支护结构上有一空白距离h1,在h1之下产生均布的附加应力：l1qHe1e2 3.墙后地面荷载引起附加荷载⑶距离支护结构一定距离有集中荷载Ｐ（如塔吊、混凝土泵车等）由Ｐ引起的附加荷载分布在支护结构的一定范围ｈ2上。HPl2h2φ 非重力式支护结构的计算深基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。基坑支护结构极限状态可有两类：承载能力极限状态正常使用极限状态 非重力式支护结构的计算1.承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏；2.正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。 基坑侧壁安全等级及重要性系数安全等级破坏后果γ0一级支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑周边环境及地下结构施工影响严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.90 （二）悬臂桩墙的计算排桩、地下连续墙嵌固深度设计值宜按下列规定：1.悬臂式支护结构嵌固深度设计值hd宜按下式确定：桩墙底以上基坑内侧各土层被动土压力强度和桩墙底以上基坑外侧各土层主动土压力强度和 悬臂桩墙的计算合力作用点至桩、墙底的距离合力作用点至桩、墙底的距离h、分别为基坑挖深和桩墙入土深度hhpEa1Ea2Ea4Ea3∑EaEP1EP2∑EP分别为被动土压力合力和主动土压力合力 支护结构计算当确定悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计值（构造要求）当基坑底为碎石土及砂土，基坑内排水且作用有渗透压力时，嵌固深度设计值还应满足下式抗渗稳定条件： 单支点支护结构计算单层支点结构支点力及嵌固深度计算支点力：基坑底面以下支护结构设定弯矩零点至基坑底面距离hCl按下式确定h 单支点支护结构计算单层支点结构支点力及嵌固深度计算支点力Tcl按下式计算支点至基坑底面的距离基坑底面至设定弯矩零点位置的位置分别为合力作用点至设定弯矩零点的距离 （三）支护结构计算的其它方法1等值梁法2弹性曲线法3竖向弹性地基梁法（基床系数法）4有限元法 等值梁法图中ab梁一端固定一端简支，弯矩图的正负弯矩在c点转折，若将ab梁在c点切断，并于c点加一自由支承形成ac梁，则ac梁上的弯矩将保持不变，即称ac梁为ab梁上ac段上的等值梁。等值梁原理ababc 等值梁法介绍等值梁法：如ab梁一端固定，一端简支，弯矩图的正负弯矩在c点转折。若将ab梁在c点切断，并在c点置一自由支承，形成ac梁，则ac梁上的弯矩将保持不变，则称ac梁为ab梁上ac段的等值梁。HAPaBCD 等值梁法HAPaBCDPaP0等值梁板桩上土压力分布图板桩弯矩图 等值梁法用等值梁计算板桩，先要知道正负弯矩的转折点的位置。因板桩地面下土压力等于0的位置，接近正负弯矩的转折点，为简化即用土压力等于0的位置代替它。P0Pa 三重力式支护结构计算（一）原理重力式支护结构是依靠结构自身重力来维持极限平衡状态的。（二）荷载组合1土压力；2重力式结构自重；3地面超载包括：永久荷载、道路荷载、可变地下水位和施工荷载（施工机械荷载、材料堆放荷载）以及偶然荷载（地震荷载、人防荷载）。 （三）重力式结构计算内容1滑动稳定性验算2倾覆稳定性验算3.土体整体滑动验算4.坑底隆起验算5.管涌验算 重力式支护结构计算简图重力式支护结构主要是深层搅拌水泥土桩墙和旋喷桩帷幕墙，计算简图如图：EaEpBbbA （三）重力式支护结构计算（滑动稳定性）1滑动稳定性验算墙体自重；基底墙体与土的摩擦系数；被动土压力合力；主动土压力合力。 （三）重力式支护结构计算（倾覆稳定性）2倾覆稳定性验算墙体自重；墙体厚度之半；分别为对墙趾A点的力臂。抗倾覆稳定安全系数； （三）重力式支护结构（整体滑动验算）3.土体整体滑动验算水泥土桩挡墙由于水泥掺量少，故将其看作提高了强度的部分土体，进行土体整体稳定性验算。R· 重力式支护结构计算（基坑隆起）4.坑底隆起开挖面以下墙体能起帮助抵抗地基土隆起的作用，宜假定土体沿墙体底面滑动，认为墙体底面以下为一圆弧，如图所示。产生滑动力的是和q,抵抗滑动的则为土体抗剪强度。qzABOCDHE 重力式支护结构计算(基坑隆起）对于非理想粘性土，土的抗剪强度AB面上应为水平侧压力，取 重力式支护结构计算（基坑隆起）将滑动力矩与抗滑力矩分别对圆心O取矩，得 重力式支护结构计算（基坑隆起）抗滑动力矩将上式积分并整理后得 抗隆起安全系数重力式支护结构计算（基坑隆起）为达稳定，避免基坑隆起，必须满足如要严格控制地面沉降，则需增加挡墙入土深度，或进行坑底土体加固，提高土体抗剪强度，使该系数达到1.5～2.0。 5管涌验算当基坑地下水的向上渗流力时土颗粒处于悬浮状态，于是坑底产生管涌现象。不发生管涌的条件应为：重力式支护结构计算（管涌验算）tj 挡墙入土深度如满足以下要求，也不会产生管涌：重力式支护结构计算（管涌现象）如坑底以上的土层为松散填土、多裂隙土层等透水性好的土层，则地下水可略去，此时不产生管涌的条件为： 第三节支护结构施工一钢板桩施工（一）常用种类：U型、Z型、H型、直腹板式和组合式。 钢板桩的施工（二）打设前准备工作1钢板桩的检验和矫正2导架安装3沉桩机械的选择打设钢板桩可用落锤、汽锤、柴油锤和振动锤，前三种皆为冲击打入法，此法可使桩锤的冲击力均匀分布，保护桩顶免受损坏。 钢板桩的施工（三）钢板桩的打设和拔除1打设方式选择⑴单独打入法即从板桩墙的一角始，逐块打设，直至工程结束。⑵屏风式打入法即将10～20根钢板桩成排插入导架内，呈屏风状，再分批施打。（按屏风排数，分为单屏风、双屏风和全屏风） 钢板桩施工（三）钢板桩的打设和拔除2钢板桩的打设吊车对准插桩，经纬仪加以控制，分几次打入，注意位置和方向的精度，每打入1m应测量一次。 钢板桩的施工3钢板桩的转角和封闭转角和封闭合拢施工的方法：⑴采用异型板桩⑵连接件法⑶骑缝搭接法⑷轴线调整法 钢板桩的施工4钢板桩的拔除拔桩前要研究钢板桩拔除顺序、拔除时间和桩孔处理方法。拔除宜用振动锤或振动锤与起重机共同拔除。 二钻孔灌注桩挡墙施工钻孔灌注桩挡墙施工（主要在第五章介绍）钻孔灌注桩施工时无振动，不会危害周围建筑物等，造价低，有优越性。施工速度慢，宜注意质量。钻孔灌注桩的间距由计算确定。钻孔灌注桩用作支护桩时，按钢筋混凝土正截面受弯构件计算配筋。 三深层搅拌水泥土桩墙施工（一）施工机具1深层搅拌机中心管喷浆方式叶片喷浆方式前者的输浆方式是水泥浆从两根搅拌轴间的另一根管输出；后者是使水泥浆从叶片的小孔喷出。2配套机械（灰浆搅拌机、集料斗、灰浆泵。） 三深层搅拌水泥土桩墙施工（二）施工工艺定位—预拌下沉—制备水泥浆—提升、喷浆、搅拌—重复上、下搅拌—清洗、移位 三.深层搅拌水泥土桩挡墙（三）水泥土的配合比水泥土的抗压强度一般为500～4000KN/㎡,水泥的掺入量取决于水泥土挡墙设计的抗压强度。水泥标号的提高，使水泥土强度相应提高。搅拌施工的水泥浆水灰比一般采用0.45～0.50，为减少用水量，有利于泵送，可选用木质素磺酸钙作减水剂，另加入三乙醇胺早强剂。 三.深层搅拌水泥土桩墙（四）提高水泥土桩挡墙支护能力的措施1.卸载挖去顶部一部分以减少主动土压力2.加筋可在墙中压入竹筋等，有助于提高墙体稳定性。3.起拱将水泥土挡墙作成拱形，在拱脚处设钻孔灌注桩，可提高其支护能力。4.挡墙变厚度对矩形基坑因边角效应，在角部的主动土压力有所减小，故角部可减薄水泥土挡墙的厚度，以节约投资。 一.支护结构监测项目第四节支护结构监测 二.支护结构监测常用仪器支护结构与周围环境的监测，主要分为应力监测与变形监测。应力检测主要用机械系统和电器系统的仪器。变形监测主要用机械系统、电器系统和光学系统的仪器。第四节支护结构监测 二.支护结构监测常用仪器（一）变形监测仪器常用的有经纬仪水准仪测斜仪主要是测斜仪。第四节支护结构监测 二.支护结构监测常用仪器测斜仪是一种测量仪器轴线与铅直线之间夹角的变化量，进行计算挡墙或土层各点水平位移的仪器。按工作原理，测斜仪可分为伺服加速度式电阻应变片式差动电阻式差动电容式钢弦式最常用的是伺服加速度式和电阻应变片式。第四节支护结构监测 二.支护结构监测常用仪器（二）应力监测仪器1.土压力观测仪器—土压力计（土压力盒）液压式气压平衡式电器式钢弦式第四节支护结构监测 二.支护结构监测常用仪器（二）应力监测仪器2.孔隙水压力计测量孔隙水压力使用最多的是孔隙水压力计，其形式、工作原理均与土压力计相同。孔隙水压力计宜钻孔埋设，待钻孔至要求深度后，先将孔底填入部分干净的砂，将测头放入，再将测头周围填砂，最后用粘土将上部钻孔封闭。第四节支护结构监测 二.支护结构监测常用仪器（二）应力监测仪器3.支撑内力测试支撑内力测试常用的几种方法：用压力传感器贴电阻应变片用千分表位移量测装置用应力、应变传感器第四节支护结构监测